DOI:10.1016/j.addma.2020.101452

由创伤或疾病引起的大面积骨缺损对于当前疗法而言是一项重大的临床挑战。本研究的一个关键目标是开发能够反映人体组织结构的仿生支架，而三维打印是一项重要的使能技术。然而，在现有工艺中，难以模拟天然体系结构中多个长度尺度与各向异性特征的结合。这项研究提出了一种简单且通用的混合印刷工艺，该工艺采用了螺悬辅助的增材制造技术并结合旋转静电纺丝技术来制备双尺度各向异性支架。现已成功地逐层制备了具有高度定向纳米纤维的3D微米级多孔聚己内酯（PCL）结构。并对该支架的形态、力学和生物学特性进行了表征。将人脂肪来源的干细胞（hADSCs）接种在杂化支架上，以评估其结构和各向异性地形线索对细胞附着/增殖和成骨分化的影响。结果表明3D打印的微米级结构具有均匀且清晰的几何形状，并且随着静电纺丝转速的增加，纳米级静电纺纤维的排列更加整齐。力学测试结果表明，带有或不带有静电纺网的3D打印支架之间没有显著差异。体外试验结果显示，具有高密度电纺网的双尺度支架显示出更高的细胞接种效率和增殖能力。与没有静电纺网的3D打印PCL支架相比，定向纳米纤维支架显示出更高的各向异性细胞骨架组织，其细胞形态明显拉长。双尺度支架呈现出改善的总体成骨标志物表达（COL-1、ALP和OCN）。但是，在双尺度支架和3D打印支架之间未观察到标准化成骨标记物表达的统计学差异。这可能是由于基底材料PCL的生物活性差而引起的，同时说明了地形信息可能不足以刺激细胞向成骨细胞方向发展。综上所述，所拟议的制备策略是一种很有前途的新型骨支架设计方法，通过将本文报道的地形线索与使用更多生物活性材料相关的生化线索相结合以调节细胞命运。

图1：显示（a）混合印刷工艺，（b）实验装置和（c）旋转静电纺丝工艺及相应几何构型的示意图。

图2：（a）PHR支架、（b）PH1000支架、（c）PLR支架、（d）PCL支架的SEM图像；（e）PHR支架的横截面；（f）PH1000支架的高倍SEM图像；（g）PH1000支架的纤维取向分析（色标单位：°）；（h）PHR支架的雷达图显示了所有方向上的纤维百分比；（i）PH1000支架的雷达图显示了所有方向上的纤维百分比。

图3：（a）所有支架的压缩模量和（b）表观屈服应力（NS：无显著差异）。

图4：（a）4小时孵育后所有支架的细胞接种效率；（b）MTT结果显示第4、72和168小时的细胞数；细胞培养1天后（c）PCL支架、（d）PHR支架和（e）PH1000支架的SEM图像。

图5：第3天的共聚焦图像显示（a）PCL支架，（b）PLR支架，（c）PL1000支架，（d）PHR支架，（e）PHR支架的原纤维取向分析（色标单位：°），（f）PH1000支架，（g）PH1000支架的原纤维取向分析（色标单位：°）。（h）PCL支架中印刷的单丝的高放大倍率图像，（i）PH1000支架的高放大倍率图像；（j）PHR支架和（k）PH1000支架上的原纤维取向的雷达图；（l）I型胶原蛋白染色的半定量（左组为左轴（像素/视野），右组为右轴（像素/细胞））；（m）所有支架的各向异性定量分析（蓝色：细胞核染色，绿色：肌动蛋白染色，红色：I型胶原蛋白染色）。

图6：双尺度支架的成骨分化。（a）所有支架在第3、7和14天的标准化RUNX2和（b）总表达；（c）所有支架在第3、7和14天的标准化ALP和（d）总表达；（e）所有支架第21天的标准化OCN和（f）总表达；（g）所有支架第21天的ARS结果。